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数控 铣床 工作台 设计 工作 台面 300 500 mm CAD

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X-Y数控铣床工作台设计-工作台面300×500mm含6张CAD图,数控,铣床,工作台,设计,工作,台面,300,500,mm,CAD

内容简介：

摘 要本设计主要基于数控铣床的工作原理，根据设计任务的尺寸给出了一个比较简单的X-Y数控铣床工作台的设计。首先，确定总体设计方案：对导向副、螺母副、减速装置的选择和控制系统的设计进行初步分析，然后画出总体方案。其次，机械传动部分的计算与选择：导轨上运动部件的重量估算、铣削力的计算、直线滚动导轨副的计算和选择、滚珠丝杠螺母副的计算和选择；步进电机减速器的选择、步进电机的计算和选择。该部分作为设计的重点，进行了大量的分析、计算和验算，最终达到了满足任务大小要求的工作要求。其次，选择X-Y工作台的控制系统。本设计主要采用8051单片机进行控制，并进行了简单的汇编程序设计。最后，设计了控制系统。在此基础上，主要通过馈电传输系统设计了硬件电路，绘制了控制系统的原理框图。然后对步进电机的驱动功率进行了分析。关键词：数控铣床； 控制系统； 总体设计 II AbstractThis design is based on the CNC milling machine works, according to the design task given the size of the work to design a relatively simple economic XY CNC milling machine table. First, determine the overall design: including a preliminary analysis of the Guide way,screwnut, deceleration device selection and control system design, and then draw ageneral scheme in Figure. Secondly, the calculation and selection of mechanical drive components: the weight of moving parts in the rail estimates, the calculation of the milling force, linear rolling the Guide way the calculation and selection of, the calculation and selection of the ball screwnut, step into the motor to the gearbox selection, calculation and selection of the stepper motor. This section as the design focus a great deal of analysis, calculation and checking , and finally get to meet the mandate of the size of the job requirements.Then, the control system of the XY table to choose. The design of the main selection of the 8051 microcontroller to control, and simple assembly programming. Finally, the control system design. Here mainly through into the transmission system to the hardware circuit design, and draw the control system block diagram; then analyzed and chosen stepper motor drive power.Key words：CNC milling machine； control system； overall design 目 录摘 要Abstract绪 论11 国内外现状12 选题的意义13 选题的目的2数控机床基础31 数控机床的产生与发展31.1 数控机床的产生31.2 数控机床的发展概况41.3 我国数控机床发展概况51.4 数控机床的发展趋势62 数控机床的概念及组成61.1 数控机床的概念62.2 数控机床的组成63 数控机床的种类与应用93.1 按机床运动轨迹进行分类103.2按伺服系统类型进行分类113.3按工艺用途进行分类133.4 按数控系统功能水平进行分类144 数控机床加工的特点及应用154.1 数控机床加工特点154.2 数控机床的应用16工作台设计181 设计任务181.1 毕业设计题目182 整体方案的确定192.1 系统总体框图192.2 系统运动方式和伺服系统192.3 机械部件的计算及选择192.4 计算机控制系统的选择193 机械设计部分203.1 工作台重量初步估算203.2 铣削力的计算203.3 直线滚动导轨副的计算和选择213.4滚珠丝杠螺母副的计算和选择223.5步进电动机的计算及型号选择244 控制系统的硬件选择294.1数控系统的硬件电路由以下几部分组成294.2主控制器CPU的选择304.3 存储器扩展电路设计315 数控系统电路设计316 系统控制软件的设计32结 论38参考文献39致 谢49 绪 论1 国内外现状数控技术的应用不仅给传统制造业带来了革命性的变化，而且使制造业成为工业化的象征，随着数控技术的不断发展和APPL的扩展。在国民经济和民生等重要产业中，IT、汽车、轻工、医疗等重要产业的发展发挥着越来越重要的作用。从当今世界数控技术和装备发展的趋势来看，主要研究热点如下：（1）高速、高精度加工技术和设备的新动向效率和质量是先进制造技术的主体。高速高精度加工技术可以大大提高生产效率，提高产品质量和档次，缩短生产周期，提高市场竞争力。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心的速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100mmin，目前，在世界上许多汽车厂，包括中国的上海通用汽车公司，采用生产线C用高速加工中心代替组合机床。在加工精度方面，近10年来，普通数控机床的精度由原来的10提高到5，精密加工中心从35提高到11.5，超精密加工的精度已开始进入纳米0.1。为了实现高速、高精度加工，电动主轴、直线电机等功能部件得到了迅速发展，应用领域进一步扩大。（2）智能化、开放化、网络化是现代数控系统发展的主要趋势。二十一世纪数控设备将是一个特定的智能系统。智能化内容包含在CNC系统的各个方面：追求加工效率和加工质量，如加工过程的自适应控制、工艺参数的自动生成以及提高传动性能和C的智能化。连接的重要性，如前馈控制。系统、电机参数自适应运行、自动识别负载自动选择模型、自整定等。数控系统的开放已成为数控系统的未来。开放式数控系统是数控系统的发展，它可以面向机床制造商和最终用户在统一的平台上开发。通过改变、增加或裁剪结构对象的NC功能，可以形成一系列数控功能，并可以方便地将用户的特殊应用和专有技术设置到控制系统中，并快速实现不同品种、不同等级的开放式CNC系统。TEM形式具有鲜明个性的名牌产品。目前，研究的核心是CNC系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、操作平台、功能库和数控系统软件开发工具。网络化数控设备是近两年国际著名机床展览会的一个新的亮点。数控设备网络化将极大地满足生产线、制造系统和制造企业对信息集成的需求。它是实现敏捷制造、虚拟企业、全球制造等新的制造模式的基本单元，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。2 选题的意义X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本组成部分，如数控铣床、数控钻床X-Y工作台等。X-Y数控工作台通常由导向座、活动滑块、滚珠丝杠螺母副和伺服电机组成。伺服电机主要用于驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母驱动滑块和工作台在指定导轨上运动，从而完成工作台在XY两个方向上的直线运动。目前数控铣床大多是典型的机电一体化产品，包括机械制造、自动控制、电子技术、传感技术、计算机技术和网络通信技术。3 选题的目的因此，通过这种设计，可以对数控机床的基本组成和相关知识进行更全面、系统的理解和掌握，并学习编制、分析、比较总体方案的方法。同时，通过机械系统的设计、几种典型传动元件和导向元件的工作原理、设计计算和选择方法、伺服电机的工作原理、计算和控制方法以及控制驱动方式。被使用。不仅可以巩固我的专业知识，还可以培养我的分析和解决问题的能力，学习和树立“系统设计”的理念，提高我查阅文献和撰写科学论文的能力。数控机床基础1 数控机床的产生与发展随着社会生产和科学技术的不断进步，各类工业新产品层出不穷。机械制造产业作为国民工业的基础，其产品更是日趋精密复杂，特别是宇航、航海、军事等领域所需的机械零件，精度要求更高、形状更为复杂且往往批量较小，加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专业化程度高的自动化机床显然无法适应这些要求。同时，随着市场竞争的日益加剧，生产企业也迫切需要进一步提高生产效率，提高产品质量及降低生产成本。在这种背景下，一种新型的生产设备数控机床就应运而生了，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量及新型机械结构等多方面的技术成果，形成了今后机械工业的基础并指明了机械制造工业设备的发展方向。1.1 数控机床的产生数控机床的研制最早是从美国开始的。1948年，美国帕森斯公司（Parsons Co.）在完成研制加工直升机浆叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初步设想。1949年，在美国空军后勤部的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室（Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology）合作，开始数控机床的研制工作。经过3年的研究，世界上第一台数控机床试验样机于1952年试制成功。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制系统铣床，其数控系统全部采用电子管元件，其数控装置体积比机床本体还要大。后来经过3年的改进和自动编程研究，该机床于1955年进入试用阶段。此后，其他一些国家（如德国、英国、日本、前苏联和瑞典等）也相继开展数控机床的研制开发和生产。1959年，美国克耐杜列克公司（Keaney & Trecker）首次成功开发了加工中心（Machining Center），这是一种有自动换刀装置和回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多工序的加工。但是，直到20世纪50年代末，由于价格和其他因素的影响，数控机床仅限于航空、军事工业应用，品种也多为连续控制系统。直到20世纪60年代，由于晶体管的应用，数控系统进一步提高了可靠性且价格下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数为钻床、冲床等点定位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术应用范围不断地得到扩展。1.2 数控机床的发展概况自1952年美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了5个发展阶段。第1代数控机床：19521959年采用电子管元件构成的专用数控装置（Numerical Control，NC）。第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（Computer Numerical Control，CNC）。第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（Microcomputer Numerical Control，MNC）。近年来，微电子和计算机技术日益成熟，其成果正不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控（DNC）系统、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。这些高级的自动化生产系统均以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。（1）计算机直接数控系统所谓计算机直接数控（Direct Numerical Control，DNC）系统，即使用一台计算机为数台数控机床进行自动编程，编程结果直接通过数据线输送到各台数控机床的控制箱。中央计算机具有足够的内存容量，因此可统一存储、管理与控制大量的零件程序。利用分时操作系统，中央计算机可以同时完成一群数控机床的管理与控制，因此也称它为计算机群控系统。目前DNC系统中的各台数控机床都有各自独立的数控系统，并与中央计算机连成网络，实现分级控制，而不再考虑让一台计算机去分时完成所有数控装置的功能。随着DNC技术的发展，中央计算机不仅用于编制零件的程序以控制数控机床的加工过程，而且进一步控制工件与刀具的输送，形成了一条由计算机控制的数控机床自动生产线，它为柔性制造系统的发展提供了有利条件。（2）柔性制造系统柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）也叫做计算机群控自动线，它是将一群数控机床用自动传送系统连接起来，并置于一台计算机的统一控制之下，形成一个用于制造的整体。其特点是由一台主计算机对全系统的硬、软件进行管理，采用DNC方式控制两台或两台以上的数控加工中心机床，对各台机床之间的工件进行调度和自动传送；利用交换工作台或工业机器人等装置实现零件的自动上料和下料，使机床每天24小时均能在无人或极少人的监督控制下进行生产。如日本FANUC公司有一条FMS由60台数控机床、52个工业机器人、两台无人自动搬运车、一个自动化仓库组成，这个系统每月能加工10000台伺服电机。（3）计算机集成制造系统计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS），是指用最先进的计算机技术，控制从定货、设计、工艺、制造到销售的全过程，以实现信息系统一体化的高效率的柔性集成制造系统。它是在生产过程自动化（例如计算机辅助设计、计算机辅助工艺规程设计、计算机辅助制造、柔性制造系统等）的基础上，结合其他管理信息系统的发展逐步完善的，有各种类型计算机及其软件系统的分析、控制能力，可把全厂的生产活动联系起来，最终实现全厂性的综合自动化。1.3 我国数控机床发展概况我国从1958年开始由北京机床研究所和清华大学等单位首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始研制晶体管数控系统，直到20世纪60年代末至70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控铣床加工平面零件自动编程的研究。19721979年是数控机床的生产和使用阶段，例如清华大学成功研制了集成电路数控系统；在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究和应用数控技术；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从20世纪80年代开始，随着改革开放政策的实施，我国先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。如北京机床研究所从日本FANUC公司引进FANUC3、FANUC5、FANUC6、FANUC7系列产品的制造技术；上海机床研究所引进美国GE公司的MTC1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。到“八五”末期，我国数控机床的品种已有200多个，产量已经达到年产10000台的水平，是1980年的500倍。我国数控机床在品种、性能以及控制水平上都有了新的飞跃，数控技术已经进入了一个继往开来的发展阶段。1.4 数控机床的发展趋势从数控机床的技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有更高层次的柔性制造系统和计算机集成系统的适应能力。我国国产数控设备的主轴转速已达1000040000r/min，进给速度达到3060m/min，换刀时间t2.0s，表面粗糙度Ra0.008m。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANUC公司、德国的SIEMENS公司和美国的A-B公司，其产品都在向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微处理器，标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到了1MB以上，机床分辨率可达0.1m，高速进给速度可达100m/min，控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流驱动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。2 数控机床的概念及组成2.1 数控机床的概念数控技术是20世纪中期发展起来的机床控制技术。数字控制（Numerical Control，简称NC）是一种自动控制技术，是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。数控机床（NC Machine）就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。国家信息处理联盟（International Federation of Information Processing，简称IFIP）第五技术委员会对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有特定代码和其他符号编码指令规定的程序。2.2 数控机床的组成数控机床的种类很多，但任何一种数控机床都是由控制介质、数控系统、伺服系统、辅助控制系统和机床本体等若干基本部分组成，如图1-1所示。图1-1 数控机床的组成（1）控制介质数控系统工作时，不需要操作工人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图，这就需要在人与机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物即称为控制介质。在控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件位移信息，因此，控制介质就是将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘和USB接口介质等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机、磁盘驱动器和USB接口等。除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码拨盘、数码插销或利用键盘直接输入程序和数据。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM软件在其他计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信（如局域网），将程序和数据直接传送给数控装置。（2）数控系统数控装置是一种控制系统，是数控机床的中心环节。它能自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床进给并加工零件。数控系统通常由输入装置、控制器、运算器和输出装置4部分组成，如图1-2所示。图1-2 数控装置结构输入装置接受由穿孔带阅读机输出的代码，经识别与译码之后分别输入到各个相应的寄存器，这些指令与数据将作为控制与运算的原始数据。控制器接受输入装置的指令，根据指令控制运算器与输入装置，以实现对机床的各种操作（如控制工作台沿某一坐标轴的运动、主轴变速和冷却液的开关等）以及控制整机的工作循环（如控制阅读机的启动或停止、控制运算器的运算和控制输出信号等）。运算器接受控制器的指令，将输入装置送来的数据进行某种运算，并不断向输出装置送出运算结果，使伺服系统执行所要求的运动。对于加工复杂零件的轮廓控制系统，运算器的重要功能是进行插补运算。所谓插补运算就是将每个程序段输入的工件轮廓上的某起始点和终点的坐标数据送入运算器，经过运算之后在起点和终点之间进行“数据密化”，并按控制器的指令向输出装置送出计算结果。输出装置根据控制器的指令将运算器送来的计算结果输送到伺服系统，经过功率放大驱动相应的坐标轴，使机床完成刀具相对工件的运动。目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元（CPU）又称微处理器，是一种大规模集成电路。它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计算机中，输入与输出电路采用大规模集成电路，即所谓的I/O接口。微型计算机拥有较大容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。存储器可分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两种类型，前者用于存放系统的控制程序，后者存放系统运行时的工作参数或用户的零件加工程序。微型计算机数控装置的工作原理与上述硬件数控装置的工作原理相同，只是前者采用通用的硬件，不同的功能通过改变软件来实现，因此更为灵活与经济。（3）伺服系统伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床本体的移动部件运动或使执行部分动作，以加工出符合要求的工件。指令信息是脉冲信息的体现，每个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫做脉冲当量。机械加工中一般常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001mm/脉冲，目前所使用的数控系统脉冲当量一般为0.001mm/脉冲。伺服系统是数控机床的关键部件，它的好坏直接影响着数控加工的速度、位置、精度等。伺服机构中常用的驱动装置，随数控系统的不同而不同。开环系统的伺服机构常用步进电机和电液脉冲马达；闭环系统常用宽调速直流电机和电液伺服驱动装置等。（4）辅助控制系统辅助控制系统是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。它接受数控装置输出的主运动变速、刀具选择交换、辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成各种规定的动作。此外，有些开关信号经过辅助控制系统传输给数控装置进行处理。（5）机床本体机床本体是数控机床的主体，由机床的基础大件（如床身、底座）和各种运动部件（如工作台、床鞍、主轴等）所组成。它是完成各种切削加工的机械部分，是在普通机床的基础上改进而成的。其具有以下特点：l 数控机床采用了高性能的主轴与伺服传动系统、机械传动装置。l 数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度和耐磨性。l 更多采用了高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨。与传统的手动机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构及操作机构等方面都发生了很多变化。这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点，因此，必须建立数控机床设计的新概念。3 数控机床的种类与应用当前数控机床的品种很多，结构、功能各不相同，通常可以按下述方法进行分类。3.1 按机床运动轨迹进行分类按机床运动轨迹不同，可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。（1）点位控制数控机床点位控制（Positioning Control）又称为点到点控制（Point to Point Control）。刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置，就称为点位控制。点位控制机床的特点是只控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定位，而对它们的运动过程中的轨迹没有严格要求，在移动和定位过程中不进行任何加工。因此，为了尽可能地减少移动部件的运动时间和定位时间，两相关点之间的移动先以快速移动到接近新点位的位置，然后进行连续降速或分级降速，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。点位控制加工示意图如图1-3所示。这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。（2）直线控制数控机床直线控制（Straight Cut Control）又称平行切削控制（Parallet Cut Control）。这类控制除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也有控制，因为这一类机床在两点之间移动时要进行切削加工。直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要控制两相关点的准确位置（距离），还要控制两相关点之间移动的速度和轨迹，其轨迹一般由与各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于当机床移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多。直线控制加工示意图如图1-4所示。 图1-3 点位控制加工示意图 图1-4 直线控制加工示意图这类机床主要有数控坐标车床、数控磨床和数控镗铣床等，其相应的数控装置称为直线控制数控装置。（3）轮廓控制数控机床轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。轮廓控制数控机床的特点是能同时控制两个以上的轴联动，具有插补功能。它不仅要控制加工过程中的每一点的位置和刀具移动速度，还要加工出任意形状的曲线或曲面。轮廓控制加工示意图如图1-5所示。属于轮廓控制机床的有数控坐标车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓控制装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全得多。3.2 按伺服系统类型进行分类按伺服系统类型不同，可分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。图1-5 轮廓控制加工示意图（1）开环控制数控机床开环控制（Open loop Control）数控机床通常不带位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。数控装置每发出一个进给脉冲后，脉冲便经过放大，并驱动步进电动机转动一个固定角度，再通过机械传动驱动工作台运动。开环伺服系统如图1-6所示。这种系统没有被控对象的反馈值，系统的精度完全取决于步进电动机的步距精度和机械传动的精度，其控制线路简单，调节方便，精度较低（一般可达0.02mm），通常应用于小型或经济型数控机床。图1-6 开环伺服系统（2）闭环控制数控机床闭环控制（Closed loop Control）数控机床通常带位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移并反馈给数控装置，与设定的指令值进行比较后，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零。这类机床一般采用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动。位置检测元件常有直线光栅、磁栅、同步感应器等。闭环伺服系统如图1-7所示。由闭环伺服系统的工作原理可以看出，系统精度主要取决于位置检测装置的精度，从理论上讲，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种系统可以得到很高的加工精度。闭环伺服系统的设计和调整都有很大的难度，直线位移检测元件的价格比较昂贵，主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心。（3）半闭环控制数控机床半闭环控制（SemiClosed loop Control）数控机床通常将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服系统的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令比较，用差值控制伺服电动机。半闭环伺服系统如图1-8所示。图1-7 闭环伺服系统图1-8 半闭环伺服系统因为半闭环伺服系统的反馈信号取自电动机轴的回转，因此系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度、间歇等非线性因素对系统稳定性没有影响，调试方便。同样，机床的定位精度主要取决于机械传动装置的精度，但是现在的数控装置均有螺距误差补偿和间歇补偿功能，不需要将传动装置各种零件的精度提得很高，通过补偿就能将精度提高到绝大多数用户都能接受的程度。再加上直线位移检测装置比角位移检测装置昂贵得多，因此，除了对定位精度要求特别高或行程特别长，不能采用滚珠丝杠的大型机床外，绝大多数数控机床均采用半闭环伺服系统。3.3 按工艺用途进行分类按工艺用途不同，可分为金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、数控特种加工机床和其他类型的数控机床。（1）金属切削类数控机床金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。切削类机床发展最早，目前种类繁多，功能差异也较大，加工中心能实现自动换刀。这类机床都有一个岛库，可容纳10100把刀具。其特点是：工件一次装夹可完成多道工序。为了进一步提高生产效率，有的加工中心使用双工作台，一面加工，一面装卸，工作台可以自动交换。（2）金属成型类数控机床金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。（3）数控特种加工机床数控特种加工机床有线切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光机切割机床等。（4）其他类型的数控机床其他类型的数控机床有数控三坐标测量机床等。3.4 按数控系统功能水平进行分类按数控系统的主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平不同，数控机床可分为低、中、高3个档次。国内还分为全功能数控机床、普及型数控机床和经济型数控机床。这些分类方法划分的界线是相对的，不同时期的划分标准有所不同，大体有以下几个方面。（1）控制系统CPU的档次低档数控系统一般采用8位CPU，中、高档数控系统采用16位或64位的CPU，现在有些CNC装置已采用64位的CPU。（2）分辨率和进给速度分辨率为位移检测装置所能检测到的最小位移单位，分辨率越小，则检测精度越高。它取决于检测装置的类型和制造精度。一般认为，分辨率为10m，进给速度为810m/min是低档数控机床；分辨率为1m，进给速度为1020m/min是中档数控机床；分辨率为0.1m，进给速度为1520m/min是高档数控机床。通常分辨率应比机床所要求的加工精度高一个数量级。（3）伺服系统类型 一般采用开环、步进电动机进给系统的为低档数控机床；中、高档数控机床则采用半闭环或闭环的直流伺服或交流伺服系统。（4）坐标联动轴数数控机床联动轴数也是常用区分机床档次的一个标志。按同时控制的联动轴数，可分为2轴联动、3轴联动、2.5轴联动（任一时刻3轴中只能实现两轴联动，另一轴则是点位或直线控制）、4轴联动、5轴联动等。低档数控机床的联动轴数一般不超过2轴；中、高档的联动轴数则为35轴。（5）通信功能低档数控系统一般无通信能力；中档数控系统可以有RS-232C或直接（DirectNumerical Control，简称DNC）接口；高档数控系统还可以有制造自动化协议（Manufacturing Automation Protocol，简称MAP）通信接口，具有联网功能。（6）显示功能低档数控系统一般只有简单的数码管显示或单色CRT字符显示；中档数控系统则有较齐全的CRT显示，不仅有字符，而且有二维图形、人机对话、状态和自诊断等功能；高档数控系统还可以有三维图形显示、图形编辑等功能。3.5 按所用数控装置的构成方式分类按所用数控装置的构成方式不同，可分为硬线数控系统和软线数控系统。（1）硬线数控系统硬线数控系统使用硬线数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能，都由专用的固定组合逻辑电路来实现，不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。改变或增减控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路。因此该系统通用性和灵活性差，制造周期长，成本高。20世纪70年代初期以前的数控机床基本是属于这种类型。（2）软线数控系统软线数控系统也称计算机数控系统，它使用软线数控装置。这种数控装置的硬件电路由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能几乎全部由系统软件来实现，所以不同功能的数控机床其系统软件也就不同，而修改或增减系统功能时，也不需要改动硬件电路，只需要改变系统软件。因此，该系统具有较高的灵活性，同时由于硬件电路基本是通用的，这就有利于大量生产、提高质量和可靠性、缩短制造周期和降低成本。20世纪70年代中期以后，随着微电子技术的发展和微型计算机的出现，以及集成电路的集成度不断提高，计算机数控系统才得到不断发展和提高，目前几乎所有的数控机床都采用软线数控系统。4 数控机床加工的特点及应用4.1 数控机床加工特点与普通机床相比，数控机床是一种机电一体化的高效自动机床，它具有以下加工特点。（1）具有广泛的适应性和较高的灵活性数控机床更换加工对象，只需要重新编制和输入加工程序即可实现加工；在某些情况下，甚至只要修改程序中部分程序段或利用某些特殊指令就可实现加工（例如利用缩放功能指令就可实现加工形状相同尺寸不同的零件）。这为单件、小批量多品种生产，产品改型和新产品试制提供了极大的方便，大大缩短生产准备及试制周期。（2）加工精度高，质量稳定由于数控机床采用了数字伺服系统，数控装置每输出一个脉冲，通过伺服执行机构使机床产生相应的位移量（称为脉冲当量），可达0.11m；机床传动丝杠采用间歇补偿，螺距误差及其传动误差可由闭环系统加以控制，因此数控机床能达到较高的加工精度。例如普通精度加工中心，定位精度一般可达到每300mm长度误差不超过（0.0050.008）mm，重复精度可达到0.001mm。另外，数控机床结构刚性和热稳定性都较好，制造精度能保证；其自动加工方式避免了操作者的人为操作误差，加工质量稳定，合格率高，同批加工的零件几何尺寸一致性好。数控机床能实现多轴联动，可以加工普通机床很难加工甚至不可能加工的复杂曲面。（3）加工生产率高在数控机床上可选择最有利的加工参数，实现多道工序连续加工；也可实现多机看管。由于采用了加速、减速措施，使机床移动部件能快速移动和定位，大大节省可加工过程中的空程时间。（4）可获得良好的经济效率虽然数控机床分摊到每个零件上的设备费（包括折旧费、维修费、动力消耗费等）较高，但生产效率高，单件、小批量生产时节省辅助时间（如画线、机床调整、加工检验等），节省直接生产费用。数控机床加工精度稳定，减少废品率，使生产成本进一步降低。4.2 数控机床的应用数控机床的性能特点决定了它的应用范围。对于数控加工，可按适应程度将加工对象大致分为3类。（1）最适应类加工精度要求高，形状、结构复杂，尤其是具有复杂曲线、曲面轮廓的零件，或具有不开畅内腔的零件。这类零件用通用机床很难加工，很难检测，质量也难保证。必须在一次装夹中完成铣、钻、绞、锪或攻丝等多道工序的零件。（2）较适应类价格昂贵，毛坯获得困难，不允许报废的零件。这类零件在普通机床上加工时，有一定难度，受机床的调整、操作人员的精神、工作状态等多种因素影响，容易产生次品或废品。为可靠起见，可选择在数控机床上进行加工。在通用机床上加工生产效率低，劳动强度大，质量难稳定控制的零件。用于改型比较、供性能测试的零件（它们要求尺寸一致性好）；多品种、多规格、单件小批量生产的零件。（3）不适应类利用毛坯作为粗基准定位进行加工或定位完全需要人工找正的零件。数控机床无在线检测系统可自动检测调整零件位置坐标的情况下，加工余量很不稳定的零件。必须用特定的工艺装备，或依据样板、样件加工的零件或加工内容。需大批量生产的零件。随着数控机床性能的提高、功能的完善和成本的降低，随着数控加工用的刀具、辅助用具的性能不断改善提高和数控加工工艺的不断改进，利用数控机床高自动化、高精度、工艺集中的特性，将数控机床用于大批量生产的情况逐渐多起来。因此，适应性是相对的，会随着科技的发展而发生变化。快速原型法是综合运用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术，实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。17 工作台设计1 设计任务1.1 毕业设计题目X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件。通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副及电动机等部件组成。其中电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工做台在导轨上运动，完成工作台在X向及Y向的进给。设计参数如下：工作台尺寸（长宽）：500mm300mm工作台行程 X向：300mm Y向：200mm快进速度 X向 1.6m/min Y向 1.6m/min进给速度 X 、Y向 0.6m/min最小指令值 X、Y向 0.01mm/脉冲定位精度： X向、Y向均为 0.01mm主电机功率： 7.5KW启动加速时间： 30ms工作台及夹具工件重量X向 1500NY向 2500N2. 整体方案的确定数控系统总体方案设计内容包括：系统总体方案框图、系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。应根据设计任务和要求提出系统的总体方案并对方案进行分析、比较、论证。2.1 系统总体框图 图2-1 系统总体框图2.2 系统运动方式和伺服系统因为此次设计的X-Y工作台是装配到数控铣床上，它的控制系统应该具有的功能有：单坐标定位、两坐标直线查补和圆弧查补，所以控制系统应该采用连续控制系统。考虑到加工精度的要求不高，故采用步进电机开环控制系统。2.3 机械部件的计算及选择1.确定脉冲当量；导轨上移动部件的重量估算；2.传动零件的计算和选择机械传动部件的选择 (1)导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受只的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系一数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 (2)丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和+0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝和N副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。3. 伺服电机的计算和选择；伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。4.减速装置的计算和选择。减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。2.4 计算机控制系统的选择X-Y数控工作台机电系统设计是用8051单片机,及2764、6264存储器及8155芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定程序就可以实现一定的加工功能。主要思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转,同时通过8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。3. 机械设计部分机械设计部分：确定系统脉冲当量、工作台外形尺寸及重量估算、滚动导轨副和滚珠丝的计算及选择、齿轮计算和设计、步进电机的相关计算和选择。3.1 工作台重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图设计工作台简图如图3-1所示：图3-1 工作台简图工作台导轨上面的移动部件包括：工件、工作平台、夹具、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等等一些部件，估算重量约为1619.5N。3.2 铣削力的计算因为立式数控铣床的加工方式是立式铣削，采用材料成分为碳钢的硬质合金立铣刀。经查表可知计算铣削力的公式为：考虑到有不对称铣削：最大铣削宽度=10mm；每齿进给量=0.1mm；铣刀直径=10mm；背吃刀量为8mm；铣刀转速=300r/min；齿数Z=3；代入公式可得最大铣削力：=1394N铣削条件比值不对称铣削逆铣顺铣圆柱铣削1.0-1.200.8-0.900.2-0.30.75-0.800.35-0.400.35-0.40 表3-1 铣削力的比值经查表3-1可知：在逆铣的情况下，三个方向的铣削力分别为：,，在立铣的情况下，工作台在垂直方向受到的铣削力为=530N,在水平方向收到的铣削力有两个，分别是和。然后将水平方向那个大的铣削力分配到工作台的丝杠轴线方向，那么可知：纵向铣削力：径向铣削力：3.3 直线滚动导轨副的计算和选择直线滚动导轨副的使用寿命主要是受工作载荷的影响。本次设计的X-Y工作台采用的是双导轨和四个滑块进行支撑。这里只需考虑极限情况下，即垂直台面的工作载荷全部作用在一个滑块上，那么该滑块所承受的最大垂直方向载荷力为： 根据查表后，我选择KL系列的JSA-LG20型直线滚动导轨副，额定动载荷为，额定静载荷。已知工作台面尺寸为300500mm,加工范围为300200mm，按标准系列选取导轨的长度为760mm，因为这里需要考虑到部件运行的行程要有一定的余量。通过查表得知KL系列的JSA-LG20型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度应小于100，每根导轨上装有两块滑块，精度是4级。通过查表我选取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数。通过距离额定寿命计算公式可得出：远远大于期望的距离额定寿命，那么该导轨副的选择合理。 3.4滚珠丝杠螺母副的计算和选择3.4.1 最大工作载荷Fmax在铣床进行立铣的时候，工作台所受丝杠轴线方向的载荷，所受纵向的载荷，所受垂直方向的载荷，已算出工件总重量为1619.5N。通过查表可知： 矩形导轨的颠覆力矩影响系数K=1.1；滚动导轨的滑动摩擦因数=0.005。因此通过最大工作载荷计算公式可算出：3.4.2 最大动载荷FQ当工作台在承受最大铣削力时的最高移动速度时，选取丝杠的导程，那么可以算出丝杠转速。因为一般数控机床的及一般机电设备的使用寿命约为15000h，所以这里我也取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入滚珠丝杠副的寿命计算公式得： （）；根据查表以及结合铣床在实际加工时的情况，这里我选取载荷系数，滚道的硬度为60HRC，硬度系数，代入最大动载荷公式可得： 3.4.3 滚珠丝杠副的型号选择及传动效率根据已初步选取的导程和计算出的最大动载荷，再经过查表之后，我选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产制造的G系列32053型滚珠丝杠副，它的公称直径为=32mm，导程为=5mm，循环滚珠为3圈2列，额定动载荷为10678N，大于计算的最大动载荷，所以该滚珠丝杠副能满足要求。再根据该滚珠丝杠副的参数代入传动效率公式，可以算出： 又因为：摩擦角所以传动效率为： 3.4.4 滚珠丝杠的刚度验算本次设计的X-Y工作台的工作方式有两种，上层为Y向运动，下层为X向运动，都是使用滚珠丝杠副进行支承，丝杠两端都使用两个推力角接触球轴承。左右支承的中心距离约，钢的弹性模量是E=2.1MPa。又通过查表可知，G系列3205-3系列的滚珠丝杠副的滚珠直径为=3.175mm，丝杠底径为=28.2mm，那么可求得：（1）丝杠截面积： （2）丝杠在工作载荷作用下的拉/压变形量： （3）单圈滚珠数： 因此可知该丝杠是单螺母的，又查表得知，循环滚珠是3圈2列；（4）代入滚珠总数量公式：=Z圈数列数=192（5）丝杠预紧时的轴向预紧力：（6）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量： 因为丝杠有预紧力作用，所以实际变形量约为理论数据的一半，所以实际变形量； （7）580mm跨度的丝杠总变形量： 经查表可知：4级精度滚珠丝杠有效行程在760mm时的行程偏差允许值为15，远大于所求的丝杠总变形量，满足使用；（8）因为X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副采用的支承都是采用单推-单推的方式，所以查表可知支承系数，代入截面惯性矩公式： 丝杠卧式水平安装的压杆稳定安全系数K=3，同时滚动螺母至轴向固定出的最大距离=580mm，代入滚珠丝杠稳定性验算公式：远远大于最大工作载荷=1695N，所以该丝杠稳定，不会出现失稳状况。因此本设计选用济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-3型滚珠丝杠副可行。3.5步进电动机的计算及型号选择3.5.1 步进电动机的特点步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。步进电动机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，在时间上与输入脉冲同步。所以只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，就可以得到想要的转角、转速和转动方向。在无脉冲的输入的情况下，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。步进电动机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应块、起停容易，正反转和无级变速也容易实现。它的缺点主要有：低频时有振荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩减小。3.5.2 步进电动机减速箱的选择在步进电动机的输出轴上装配一个齿轮减速箱，不仅可以有效的增大步进电动机的输出转矩，而且也能让工作台和滚珠丝杠的转动惯量传递到电动机轴上尽量的小些。同时考虑到应该有消除间隙机构，所以应该采用无间隙齿轮传动减速箱。根据给定的参数可知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程，再经过查表先预选步进电动机的步矩角。可求得减速比为：经查表之后我选JBF3型齿轮减速箱。大小齿轮的模数都是1mm，齿数比是，材料选45调质钢，齿表面淬硬后能有55HRC。减速箱中心距为（75+36）1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。3.5.3 步进电动机转轴上的总转动惯量的计算加在步进电动机转轴上的总转55动惯量是伺服系统的主要参数之一，它对电动机的选择有重要的意义。的主要参数包括：电动机转子的转动惯量、减速装置和滚珠丝杠以及移动部件等这算到电动机转轴上的转动惯性等。根据前面给定和选取的参数有：滚珠丝杠的总长=760mm，公称直径=32mm，导程=5mm，材料密度，移动部件的总重力G=619.5N，小齿轮宽度取15mm，直径36mm；大齿轮宽度也取15mm，直径=75mm；传动比是25/12。根据这些参数可算出：滚珠丝杠的转动惯量：小齿轮的转动惯量：大齿轮的转动惯量：拖板折算到丝杠上的转动惯量：再选择常州宝马集团公司生产的型号为110BC380F的步进电动机，该步进电动机三相六拍驱动时步矩角为，电动机的转子转动惯量为。因此可求的步进电动机转轴上的总转动惯量是：3.5.4 步进电动机转轴上的等效负载转矩Tep1步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同的工况下是不一样的。一般情况下只考虑两种情况：一种是快速空载启动（负载为0），另一种是承受最大的工作负载。（1）空载启动时电动机转轴承受的负载转矩=其中电动机转轴上的最大加速转矩：式中：为传动链的总效率，因为在步进电动机空载启动时需要考虑的存在，这里取0.7；为对应空载最快移动素的的步进电动机的最高转速，单位是r/min；为步进电动机从静止到加速至转速所需时间，单位是s；为步进电动机的步矩角，数值选取。移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩： 式中：为导轨的摩擦因数，其中滚动导轨的摩擦因数为0.005；为垂直方向的铣削力，当工作台空载运行时为0。因此步进电动机空载时转轴所承受负载转矩为： （2）步进电动机转轴在最大工作负载状态时承受的负载转矩 其中：； ； 相对于和来说很小，可以忽略不计。则： （3）确定步进电动机的最大等效负载转矩结合和可知加在步进电动机转轴最大的等效负载转矩应该是： 3.5.5步进电动机的选择在选取步进电动机最大静转矩的时候，要考虑安全系数K的选择，这里我选择K=4，则步进电动机的最大静转矩：，而通过查表3-1可知选取的110BC380F型步进电动机的最大静转矩为，远大于计算得出的最大静转矩，因此该步进电动机满足工作要求。型号反应式步进电机的技术参数110BC380F相数步距角电压电流最大静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量30.75/ 1.580300V6A11.76N.m1200Hz12000Hz9 表3-1 反应式步进电机技术参数表3.5.6 步进电动机的性能校核（1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核：参数给定工作台最快工进速度=500mm/min，脉冲当量脉冲，可以得出电动机对应的运行频率。从110BC380F电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩6.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.840Nm，满足要求。（2）最快空载移动时电动机输出转矩校核：参数给定工作台最快空载移动速度=2500mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=2.4Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.440Nm，满足要求。（3）最快空载移动时电动机运行频率校核：与快速空载移动速度=2500mm/min对应的电动机运行频率为。查表知110BC380F电动机的空载运行频率可达10000，可见没有超出上限。（4）起动频率的计算：已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BC380F步进电动机，完全满足设计要求。3.5.7电动机特性分析及细分驱动控制步进电机的控制方式是通过脉冲分配器实现的。步进电机的主要功能是将数控装置所传输的一系列指令脉冲以一定的方式和顺序传递给步进电机的各相绕组，从而实现电机的正反转。数控系统中常用软件脉冲分配器和集成脉冲分配器。结合设计实际情况，确定了集成脉冲分配器YB013。由于步进电机的工作模式是三相六拍（三线圈A、B、C），电序的正转是：AAB-B-C-C-CA-A，它的电序颠倒是AAC-C-CB-B-B-A。步进电机驱动系统主要由步进电机驱动器和步进电机组成。步进电机驱动系统的性能不仅取决于步进电机的质量，还取决于步进电机自身的性能。步进电机是一种将电脉冲转换成角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收来自控制器的脉冲信号时，驱动步进电机在设定方向上转动固定的力矩角，其旋转通过固定的步进和步进。步进电机不能直接连接直流或交流电源，必须使用步进电机驱动器。脉冲发生器通过控制脉冲个数来控制角位移，从而可以精确定位，通过控制脉冲频率来控制步进电机的速度和加速度，从而达到调速的目的。3.5.8步进电机驱动电源选用本设计中X、Y向步进电动机均为110BC380F型，工作方式为三相六拍，与其相匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为220VAC，相电流为6A。 4. 控制系统的硬件选择4.1数控系统的硬件电路由以下几部分组成1、主控制器：即中央处理单元CPU。2、总线：包括数据总线，地址总线，控制总线。3、存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4、I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如图4-1所示：存储器RAMROM中央处理单元CPU外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象图4-1 数控系统的硬件框图4.2主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU，它有如下特点：1.可靠性高因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。2.控制功能强具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。3.便于扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。4.实用性好体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。综合考虑之后，我选用8051芯片作为主控芯片。4.3 存储器扩展电路设计4.3.1 程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k，4k，8k，16k，32k。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8051所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。于8051芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8051扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是74LS373。4.3.2 数据存储器的扩展由于8051芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116、6264、62128等，这里选用6264。4.3.3 I/O扩展电路设计8051单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155为多功能的可编程接口芯片，内部包含有256字节RAM，两个可编程8位并行口、一个6位并行口和一个14位的计数器。8155是8051单片机应用系统中最适用的外围器件。数据存贮器是256x8位静态RAM。I/O由三个通用口组成，其中的6位口可编程为状态控制信号。可编程的14位计数器/定时器用于给单片机系统提供方波或计数脉冲。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。5 数控系统电路设计本系统使用的控制器是以MCS-51系列8051单片机为主。扩展存储器电路选1片2732EPROM和1片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。2732的片选控制直接接地，在系统复位后，CPU从0000H开始执行监控程序，6264的片选端将由74LS138译码器的Y2输出提供，所以6264的空间地址为4000H 5FFFH，系统的扩展借口I/O电路选用通用的可编程并行输入/输出借口芯片8155。8155的片选端接到74LS138译码器的Y4输出端。所以8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信号分别是8000H、8001H、8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的A口为控制工作台X、Y向电机的接口。本系统X、Y方向的步进电动机都用110BC380F型步进电动机，软件环形分配器控制，高低压驱动电路。为了防止功率放大器高电压的干扰，步进电机借口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示控制电路设计在一起，8155的PC口（PC0 5）担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线）；PB口的PB0 PB3为键盘的行线；8051的P1口为显示器的字形输出口（数据缓冲）。本系统采用46共24个行列式键盘和六位八段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口与字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4 PB7分别为工作台+X、X、+Y、Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口、PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机限时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O口线为“0”电平时，应立即停止X、Y向步进电机的驱动，并发出报警信号。此外，广电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用的是7805三端集成稳压器设计。6. 系统控制软件的设计6.1系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：（1）系统初始化：对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预先设置接口工作方式控制字。（2）工作台复位：开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）输入和显示加工程序。（4）监视按键，键盘及开关：例如监视紧急停机键和行程开关，键盘扫描等功能。（5）工作台的超程显示和处理：工作台位移超过规定值时应该马上停止工作台的运动，并立刻显示相应的指示字符。6.2系统管理程序控制管理程序是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如图6-1所示： 加工程序输入键按下 机床复位 开始 系统初始化 自动加工键按下 手动加工键按下 加工数据输入 自动加工 手动调整NNNYYY图6-1 管理程序流程图6.3自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；（3）由以上分析，设计自动加工程序框图如图6-2所示：入口零件坐标地址指针读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进加工快速退刀零件坐标地址指针加一零件加工完成NY返回图6-2 自动程序加工框图6.4步进电机子程序控制设计步进电机控制主要包括速度、转角和方向的控制。步进电机在突然启动或者停止的时候，因为负载及惯性会使得电机失步，所以在步进电机运动的时候应该要有一个加减速的过程。在通过确定步进电机进给脉冲数和脉冲时间间隔，就可以实现对步进电机速度和转角的控制。以下是控制系统的时间常表6-1。 脉冲时间间隔/ms 时间常数 脉冲 时间间隔/ms 时间常数6.2246.2440C32H 24.184 0.820 019AH8.8322.587050DH 24.977 0.793 018CH10.8161.98503E0H 25.746 0.4690180H12.4891.6730344H 26.493 0.746 0175H13.9631.47402E1H 27.219 0.726 016AH15.2961.333029AH 27.926 0.707 0161H16.5211.2260264H 28.615 0.690 0158H17.6621.414023AH 29.289 0.673 0150H17.7731.0710217H 29.947 0.658 0149H19.7461.01301FAH 30.591 0.644 0142H20.7101.96401E1H 31.222 0.931 013BH21.6310.92101CCH 31.840 0.618 0135H22.5140.88301B9H 32.447 0.607 012FH23.3640.85001A3H表6-1 控制系统的时间常数表在EPROM中